Исследователи Университетского колледжа Лондона (UCL) и Кембриджа создали новую форму льда, обладающую свойствами, которые коренным образом меняют наше понимание “твердого” состояния воды.
Недавно обнаруженный лед является аморфным — то есть его молекулы находятся в дезорганизованной форме, а не аккуратно упорядочены, как в обычном кристаллическом льду. Аморфные формы обычно встречаются в космосе, поскольку космическая среда не имеет достаточно тепловой энергии для образования кристаллов.
В исследовании, опубликованном в журнале Science, команда использовала процесс шаровой мельницы — энергично встряхивая обычный лед вместе со стальными шариками в охлажденной до -200°C банке. Вместо ожидаемых маленьких кусочков льда ученые получили новую аморфную форму льда — которая в отличие от других известных типов имела такую же плотность, как жидкая вода и вместе с тем внешне походила на измельченный лед.
The research team used a process called ball milling, vigorously shaking ordinary ice together with steel balls in a jar cooled to -200 degrees Centigrade. “We shook the ice like crazy and destroyed the crystal structure,” said lead author Dr Alexander Rosu-Finsen. 2/6 pic.twitter.com/4Dr2q9arKk
— UCL News (@uclnews) February 3, 2023
Предыдущие исследования твердой фазы воды позволили ученым открыть более 20 кристаллических форм и два аморфных типа льда — высокой плотности (HDA) и низкой плотности (LDA). Ученые открыли LDA в 1930-х годах, когда осадили водяной пар на стальной лист, охлажденный до -100°C; спустя 50 лет они обнаружили, что могут создать HDA, сжав лед при температуре почти -200°C.
Разрыв в плотности этих двух форм свидетельствовал, что должна быть золотая середина, и ученым из Кембриджа и UCL удалось ее найти. Новый лед они назвали аморфным льдом средней плотности (MDA).
Разница в плотности ранее заставила ученых предположить, что вода действительно существует как две жидкости при очень низких температурах и что теоретически при определенной температуре обе эти жидкости могут сосуществовать, причем один тип плавает над другим (как при смешивании масла и воды). Эта гипотеза была продемонстрирована в компьютерном моделировании, но не подтверждена экспериментом. Новое исследование MDA может вызвать сомнения в реальности этой идеи.
«Мы знаем о 20 кристаллических формах льда, и ранее были обнаружены только два основных аморфных типа льда, известные как аморфный лед высокой плотности и аморфный лед низкой плотности. Между ними существует огромный пробел в плотности, и общепринятой мыслью было то, что в этом пробеле не существует льда. Наше исследование показывает, что плотность MDA находится именно в пределах этого разрыва плотности, и это открытие может иметь далеко идущие последствия для нашего понимания жидкой воды и многих аномалий», — говорит старший автор исследования, профессор химии Кристоф Зальцманн.
Измельчение в шаровой мельнице – это техника, которая используется в нескольких отраслях промышленности для измельчения или смешивания материалов, но раньше не применялась ко льду. В исследовании банку охладили до -200°C, а плотность измельченного льда определили по его «плавучести» в жидком азоте. Исследователи использовали ряд других методов для анализа структуры и свойств MDA, включая дифракцию рентгеновских лучей (наблюдение рентгеновского излучения, отраженного льдом) и рамановскую спектроскопию (наблюдение за тем, как лед рассеивает свет).
С помощью калориметрии удалось обнаружить, что, если сжать MDA, а затем нагреть его, он высвободит большое количество энергии во время перекристаллизации. Следовательно, такой лед может быть высокоэнергетическим геофизическим материалом, который может вызывать тектонические движения на ледяных объектах Солнечной системы (таких, как спутники Юпитера и Сатурна).